臧文寧 李靜

摘 要：以SiO2作為交聯(lián)劑生產(chǎn)水凝膠服裝，并分別從力學(xué)角度和微觀性能研究水凝膠在服裝美學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用潛力。結(jié)果表明，AAM-SiO2水凝膠水溶液可以主動(dòng)擴(kuò)散到服裝紡織品結(jié)構(gòu)中，便于線條及圖案在服裝上的應(yīng)用。由于PAAM-SiO2納米復(fù)合水凝膠被填充到服裝紡織品中，在界面上形成了半穿透結(jié)構(gòu)，服裝界面韌性達(dá)到272 J/m2。化學(xué)交聯(lián)劑（PEGDA）和物理交聯(lián)劑（SiO2）的存在限制了水凝膠的體積膨脹。

關(guān)鍵詞：水凝膠；服裝美學(xué)設(shè)計(jì)；SiO2；力學(xué)性能；

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ427.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0014-04

Research on the application of hydrogels in the aesthetic design of clothing

ZANG Wenning，LI Jing

（North University of China，Taiyuan 030000，China）

Abstract：Using SiO2 as a crosslinking agent to produce hydrogel garments，the potential of hydrogels in the aesthetic design of garments is investigated from the perspective of mechanical and microscopic properties respectively.The results show that the aqueous solution of AAM-SiO2 hydrogel can actively diffuse into the structure of garment textiles，facilitating the application of lines and patterns on garments.As the PAAM-SiO2 nanocomposite hydrogel is filled into the garment textile，a semi-penetrating structure can be formed at the interface，resulting in a garment interfacial toughness of 272 J/m2.The presence of a chemical crosslinking agent （PEGDA） and a physical cross-linking agent （SiO2） limits the volume expansion of the hydrogel.

Key words：hydrogel;aesthetic design of clothing;SiO2;mechanical properties.

氣凝膠的獨(dú)特性能在化工、材料等方面得到了大量應(yīng)用研究，其主要特點(diǎn)為具有高比表面積、高孔隙率、低密度和極低的導(dǎo)熱系數(shù)。這些特性歸功于氣凝膠的三維結(jié)構(gòu)，其由具有間隙介孔的納米顆粒固體網(wǎng)絡(luò)組成 。氣凝膠還具有許多其他特性，如較好的力學(xué)和低介電常數(shù)，這些特性可用于服裝美學(xué)設(shè)計(jì)中。但目前針對(duì)氣凝膠在服裝美學(xué)中的應(yīng)用研究較少［1］。且單純的使用氣凝膠在服裝中，可能無(wú)法達(dá)到較好的效果［2］。

為了克服這些缺點(diǎn)，需要用無(wú)機(jī)納米-微米顆粒作為交聯(lián)劑制備復(fù)合水凝膠服裝。除了利用有機(jī)-無(wú)機(jī)混合水凝膠提高材料的力學(xué)性能，無(wú)機(jī)顆粒也可以用作典型的阻燃劑。由于其高比熱容、高熔點(diǎn)和燒結(jié)后的阻隔性，在耐火材料如纖維和塑料中顯示出廣泛的應(yīng)用［3］。且由親水性多糖和SiO2微粒組成的商用水凝膠系列材料，由于其固有的粘膠性，能夠使服裝美學(xué)中的圖案和線條更好的應(yīng)用在服裝中。基于此，本研究以SiO2作為交聯(lián)劑生產(chǎn)水凝膠服裝（FR-GT），從微觀特性和力學(xué)角度評(píng)判水凝膠及SiO2作為交聯(lián)劑在服裝美學(xué)中的應(yīng)用。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA，Mn=700）、聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA，Mw= 360）和N，N，N′，N′-四甲基乙二胺（TEMED）均購(gòu)自埃克森美孚公司；丙烯酰胺（AAM）和過(guò)硫酸鉀（KPS）由國(guó)藥集團(tuán)提供；直徑約為1 μm的SiO2顆粒和黏土由浙江通達(dá)偉鵬電氣有限公司公司提供；粘膠無(wú)紡布為金旭環(huán)保產(chǎn)品；超純水由凈水系統(tǒng)自制。

1.2 水凝膠服裝設(shè)計(jì)

將丙烯酰胺（AAM）和SiO2添加到黏土水分散體中（通過(guò)磁力儀，黏土可在水中剝離而獲得）。在劇烈的10 min振動(dòng)動(dòng)下（15 000 r/min），獲得均勻的AAM-SiO2-黏土分散體。通過(guò)高速攪拌（15 000 r/min）將聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）混合10 min，直到得到水凝膠溶液。在水凝膠溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的過(guò)硫酸鉀和N，N，N′，N′-四甲基乙二胺（TEMED）后，立即將該溶液轉(zhuǎn)移到底部有粘膠無(wú)紡布的模具中。在溫度30 ℃條件下聚合1 h后［4］，可以成功獲得水凝膠服裝復(fù)合材料（FR-GT）。由于粘膠無(wú)紡布的參數(shù)是恒定的，水凝膠紡織物復(fù)合材料表示為FR-GTX，其中X是水凝膠溶液中SiO2的質(zhì)量百分比。作為對(duì)照組，還制作了沒(méi)有無(wú)紡布層的純水凝膠（FR-G），進(jìn)行形態(tài)、拉伸性能、膨脹行為、隔熱和熱重測(cè)試。純水凝膠被稱(chēng)為FR-GX（GX），其中X是預(yù)凝膠溶液中SiO2的質(zhì)量百分比；表1為樣品成分。

1.3 試驗(yàn)方法

用環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM，Quanta-250，F(xiàn)EI）觀察FR-G和FR-GT的形態(tài)。在觀察之前，樣品被凍干并在表面噴上金。通過(guò)能量色散光譜（EDS，AZtec X-Max）分析了分別屬于SiO2、黏土和PAAM的Si、Mg和N的元素分布。

用萬(wàn)用試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了該水凝膠的抗張?zhí)匦浴Ｔ谑覝?0 ℃的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。在回復(fù)試驗(yàn)中，伸展速度為4 cm/min，恢復(fù)速度為2 cm/min。對(duì)各試件分別進(jìn)行了4個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)。

水凝膠服裝的界面粘合性能是通過(guò)將水凝膠從無(wú)紡布上180°剝離來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)測(cè)量中，水凝膠層用氰基丙烯酸酯粘合劑粘在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的背板上，以防止在測(cè)試中伸長(zhǎng)［5］。用于剝離測(cè)量的水凝膠層的寬度為1 cm，厚度為1 mm；測(cè)量長(zhǎng)度和剝離速度分別為5 mm和0.5 mm/s。

水凝膠服裝的熱穩(wěn)定性是通過(guò)熱重分析進(jìn)行評(píng)估。用于TG分析的樣品的質(zhì)量約為5～8 mg。在空氣條件下，測(cè)量溫度從30～310 ℃，熱速率為10 K/min。

用質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%酒精作為燃料的噴燈火源來(lái)評(píng)估水凝膠服裝的耐火性能?；鹧鏈囟燃s為1 000 ℃。耐火性實(shí)驗(yàn)的樣品大小為4 cm×4 cm×5 mm，夾在噴燈上方5 cm處。試驗(yàn)進(jìn)行了5 min，并在1、3和5 min后用照相機(jī)記錄了樣品的數(shù)字圖像。

2 結(jié)果和討論

2.1 SEM微觀分析

用SEM對(duì)不同SiO2含量的水凝膠服裝進(jìn)行了微觀分析，無(wú)SiO2填充的水凝膠具有典型的孔隙特征，且多孔結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致服裝美學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)生較差的服裝質(zhì)量；含有SiO2顆粒的水凝膠服裝表現(xiàn)出緊密的包裹結(jié)構(gòu)。此外，即使SiO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到61%（FR-G61），SiO2仍均勻地分散在水凝膠服裝中。凝膠網(wǎng)絡(luò)中SiO2的低含量（FR-G15和FR-G26）有利于提高水凝膠服裝力學(xué)性能。隨著SiO2含量的進(jìn)一步增加，相鄰SiO2顆粒的空隙被聚合物填滿，形成一個(gè)緊密的結(jié)構(gòu)［6-8］。這種緊密的結(jié)構(gòu)使得剛性微粒子能夠起到良好的填充作用，這有助于提高水凝膠織物的力學(xué)剛度，以及對(duì)促進(jìn)服裝美學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中較高的服裝質(zhì)量至關(guān)重要。

同時(shí)利用能譜分析技術(shù)驗(yàn)證SiO2在水凝膠服裝中的分布。PAAM和黏土的N和Mg分別在FR-G0和FR-G61中分布良好。因此，無(wú)論SiO2含量如何，聚合物和黏土都能很好地分散在水凝膠服裝中，有利于在服裝形成更優(yōu)美的線條。同時(shí)可觀察到，與FR-G0相比，F(xiàn)R-G61中來(lái)自黏土和SiO2的Si含量更高。Si的密集分布以及N和Mg的零星分布意味著SiO2在水凝膠中的均勻分散，有助于FR-G61的致密結(jié)構(gòu)的形成［9］。與FR-G0相比，F(xiàn)R-G61中的Si元素含量從8.9%增到43.1%，而Mg和N的含量分別從5.7%減到0.8%和從9.3%減到1.3%。

2.2 水凝膠服裝復(fù)合材料膨脹性能

由于水凝膠在其服裝美學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中具有散熱作用，且水凝膠中的膨脹性能對(duì)于服裝美學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不可缺少，若水凝膠膨脹性能過(guò)大，易導(dǎo)致服裝產(chǎn)生褶皺，從而影響服裝美學(xué)設(shè)計(jì)。因此本節(jié)討論了水凝膠服裝復(fù)合材料的膨脹行為，結(jié)果如圖1所示。

從圖1（a）可以看出，隨著SiO2含量的增加，膨脹率都在下降;對(duì)于FR-G0，膨脹率達(dá)到（529.9±14）%。相反，F(xiàn)R-G61表現(xiàn)出較差的膨脹性能，膨脹率僅達(dá)到（103.0±20）%［10］。這是因?yàn)镾iO2含量的提高，使其成為了水凝膠中的一個(gè)“交聯(lián)”的節(jié)點(diǎn)，并充分地充滿了它的多孔結(jié)構(gòu)，抑制了水凝膠在膨脹時(shí)的延伸。因此，在服裝美學(xué)設(shè)計(jì)中可以防止水凝膠服裝復(fù)合材料在制作過(guò)程中產(chǎn)生褶皺，平衡溶脹比（DSR）在水凝膠服裝設(shè)計(jì)過(guò)程中也很重要。在水凝膠層發(fā)生了大量的體積變化，產(chǎn)生了表面張力，從而在微觀上影響到了水凝膠涂層復(fù)合材料的形態(tài)，進(jìn)而破壞服裝設(shè)計(jì)本身的線性。

從圖1（b）可以看出，F(xiàn)R-G61的平衡溶脹比隨著PEGDA含量的增加而降低［11］，這主要是因?yàn)橐跃垡叶?DA為基體，其化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)得到了強(qiáng)化。與對(duì)應(yīng)的原始樣品相比，這種水凝膠表現(xiàn)出較低的DSR。相反，它們的平衡溶脹比隨著SiO2含量的增加表現(xiàn)出“遞減-遞增-遞減”的趨勢(shì)。在第1個(gè)下降階段（G0～G26），SiO2填充到水凝膠的孔隙中，并作為物理交聯(lián)點(diǎn)限制了水凝膠服裝膨脹時(shí)的體積膨脹。當(dāng)進(jìn)一步增加SiO2的含量（G26～G34）時(shí)，阻止了PEGDA和其他單體之間的交聯(lián)作用，導(dǎo)致水凝膠服裝膨脹時(shí)體積膨脹的增加［12］。且可觀察到超過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)34%的SiO2（G34～G61），由于水凝膠填補(bǔ)了SiO2間的空隙，促成水凝膠服裝體積膨脹行為，該現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步破壞原先服裝美學(xué)設(shè)計(jì)中的線條和圖案。

2.3 力學(xué)性能

服裝美學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是服裝具有較好的強(qiáng)度，從而保證在服裝設(shè)計(jì)時(shí)，服裝不因其他機(jī)械設(shè)備影響而發(fā)生服裝破壞現(xiàn)象。通過(guò)反復(fù)拉伸和擠壓實(shí)驗(yàn)，對(duì)水凝膠布料的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了檢驗(yàn)。如圖2（a）、（b）所示，水凝膠的拉伸性能隨著SiO2的增加而增強(qiáng)［13］。不含SiO2的水凝膠（FR-G0）的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為（80.6±4.7）kPa和（129.7±9.2）%。相比之下，高SiO2含量的水凝膠（FR-G51）表現(xiàn)出更好的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，分別為（135.3±10.0）kPa和（402.7±23.6）%，比FR-G0分別高出2.9、3.9倍。原因可能是由于納米復(fù)合水凝膠中的納米顆粒強(qiáng)化機(jī)制所致。然而，對(duì)于FR-G61，當(dāng)SiO2的含量增加時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都會(huì)降低，這是由于在聚合物基質(zhì)中過(guò)量的SiO2會(huì)造成應(yīng)力缺陷點(diǎn)的產(chǎn)生。在服裝美學(xué)設(shè)計(jì)中，常使用各種機(jī)械對(duì)服裝中的圖案及裝飾品進(jìn)行加工，而較低的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率易導(dǎo)致服裝在設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)生服裝扯斷的現(xiàn)象，極大阻礙服裝制作。

2.4 水凝膠服裝界面力

服裝美學(xué)設(shè)計(jì)中界面力對(duì)于實(shí)現(xiàn)水凝膠和服裝紡織品的組成至關(guān)重要，且出現(xiàn)在衣服上的線條、圖案、顏色通常需要設(shè)備進(jìn)行二次加工，需要較好的界面力滿足服裝線條、圖案的設(shè)計(jì)。本文進(jìn)行了水凝膠與粘膠無(wú)紡布的180° 剝離測(cè)試，以評(píng)價(jià)水凝膠服裝的界面粘接性能。SiO2含量對(duì)界面韌性的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，SiO2增強(qiáng)了界面韌性，F(xiàn)R-G0為（56.0 ± 7.2） J/m2，F(xiàn)R-G61為（320.0 ± 50.7） J/m2［14］。結(jié)果顯示，SiO2粒子的確能改善膠體與非織造織物的結(jié)合強(qiáng)度。另外，將水凝膠膜脫去后，纖維膜的表層為粗大的水凝膠膜。類(lèi)似地，在水凝膠的表層也有殘留的纖維。這說(shuō)明，在水凝膠與紡織品的交界面上，會(huì)出現(xiàn)一種纖維加強(qiáng)的構(gòu)造，從而使水凝膠衣服的交界部粘著力得到了更大的加強(qiáng)，易使圖案和顏色輕易與服裝融合，可為服裝美學(xué)設(shè)計(jì)提供更好的應(yīng)用基礎(chǔ)。且水凝膠服裝的剝離過(guò)程導(dǎo)致2種類(lèi)型的斷裂［15］，包括水凝膠與織物的分離和水凝膠的自我斷裂。對(duì)于FR-GT，水凝膠通過(guò)非共價(jià)交聯(lián)粘附在紡織品上，形成一個(gè)半穿透結(jié)構(gòu)。所以，F(xiàn)R-GT的表面增韌作用，很大程度上是由于大分子鏈段的破壞所引起的無(wú)彈性的能量耗散所致。

2.5 水凝膠服裝耐燃性能

通過(guò)對(duì)水凝膠的表面溫度及對(duì)應(yīng)的近紅外成像來(lái)評(píng)價(jià)其保溫性能，水凝膠服裝耐燃性能結(jié)果如圖4所示。純凈的紡織品在25 s內(nèi)達(dá)到了約135 ℃的平衡溫度，這表明純凈紡織品的熱絕緣性很差。然而，水凝膠由于含有大量的水，具有較高的比熱容和蒸發(fā)量，在熱絕緣方面有明顯的改善。這種含有SiO2的水凝膠的表面溫度在15 s內(nèi)達(dá)到約50 ℃，然后在100 s內(nèi)緩慢上升到約90 ℃的平衡溫度。另外，SiO2加入量越大，其受熱速度越慢，受熱狀態(tài)越穩(wěn)定。該效應(yīng)在FR-G51纖維上得到了顯著的體現(xiàn)，其在75 ℃左右的平衡點(diǎn)只有純紡纖維的50%左右。可以發(fā)現(xiàn)，SiO2的高質(zhì)量含量有利于水凝膠的絕熱特性，且在受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生一致密且厚度很大的殘余膜。但隨著SiO2含量達(dá)到61%，F(xiàn)R-G61的隔熱特性將發(fā)生翻天覆地的變化。研究表明，SiO2膜對(duì)于隔熱是必不可少的，但其高的SiO2的高質(zhì)量和高水分的有機(jī)組分相比，提高了材料的導(dǎo)熱性。結(jié)果表明，F(xiàn)R-G51是最佳的阻燃劑。

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立了一種簡(jiǎn)單而有效的設(shè)計(jì)方法，用于制造水凝膠服裝材料，以SiO2填充的水凝膠作為基體。由于水凝膠界面上的半穿透性聚合物網(wǎng)絡(luò)和纖維加固，水凝膠服裝具有良好的界面粘合性，方便服裝美學(xué)設(shè)計(jì)中圖案及裝飾品附著在服裝上。同時(shí)，物理交聯(lián)劑SiO2和化學(xué)交聯(lián)的聚乙烯醇（PEGDA）能夠有效抑制其體積膨化，避免了衣服膨化而降低了造型效果。同時(shí)，SiO2還可以作為物理交聯(lián)劑和無(wú)機(jī)填充材料，從而提高了水凝膠織物的機(jī)械強(qiáng)度和界面結(jié)合能力。且作為涂層，水凝膠改善了無(wú)紡布的隔熱性能，進(jìn)一步提高了服裝美學(xué)設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍。且作為涂層，水凝膠改善了無(wú)紡布的隔熱性能，進(jìn)一步提高了服裝美學(xué)設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍。

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